技术速递｜利用 Redis 使 AI 驱动的 .NET 应用程序更加一致和智能

作者：Catherine Wang
排版：Alan Wang

Redis 是一种流行的内存数据存储，可用于解决构建和扩展智能应用程序的关键挑战。在本文中，你将了解如何使用 Redis 的 Azure 缓存来提高使用 Azure OpenAI 的应用程序的效率。

Redis 的 Azure 缓存不受最近的 Redis 许可证更新的影响：

“我们将持续的合作以确保 Azure 客户能够无缝地利用 Azure Cache for Redis 的所有层级。Azure Cache
for Redis、Azure Cache for Redis Enterprise 和 Enterprise Flash
服务不会中断，客户将收到及时的更新和错误修复，以保持最佳性能。” – Julia Liuson，开发部总裁

本博客包括两个示例应用程序：

第一个是基于 .NET 揭秘检索增强生成的演示聊天 Semantic Kernel 应用程序。我添加了使用 Redis 保存额外知识并启用聊天历史记录的功能。完整示例位于 Chat App with Redis。
第二个是一个演示应用程序，它在 .NET 8 中使用 Redis OM dotnet 进行 Redis 输出缓存，以提高生成式 AI 的一致性和弹性。完整示例位于 OpenAI 的输出缓存中。

Redis 为 OpenAI 模型提供了额外的知识

像 GPT 这样的 OpenAI 模型在大多数情况下都经过训练且知识渊博，但它们无法了解您公司的内部文档或最近的博客文章。这就是为什么您需要 Redis 作为附加知识的语义内存存储。

语义内存存储有两个基本要求：

智能应用程序无法直接读取文本 blob、图像、视频等非结构化数据。语义内存存储需要支持向量嵌入的有效保存。
智能应用程序需要执行总结、比较、异常检测等任务。语义内存存储需要支持搜索功能。这意味着用于查找相关数据的索引、距离算法和搜索查询。

Redis Enterprise 提供了 RediSearch 模块来满足这些需求。您可以使用内置的 FLAT 和 HNSW 索引算法、余弦等距离算法以及 KNN 搜索查询在 Redis 中保存向量嵌入。

Semantic Kernel 为 Redis 语义内存存储提供了一个连接器。在语义内核中使用 Redis 作为语义内存存储的代码可能如下所示（来自 ChatAppRedis）：

//初始化Redis连接
ConnectionMultiplexer connectionMultiplexer = await ConnectionMultiplexer.ConnectAsync(redisConnection);
IDatabase database = connectionMultiplexer.GetDatabase();

//创建和使用Redis语义内存存储
RedisMemoryStore memoryStore = new RedisMemoryStore(database, vectorSize: 1536);
var memory = new SemanticTextMemory(
    memoryStore,
    new AzureOpenAITextEmbeddingGenerationService(aoaiEmbeddingModel, aoaiEndpoint, aoaiApiKey)
    );

//将文本字符串保存到 Redis 语义存储中的代码
await memory.SaveInformationAsync(collectionName, $"{your_text_blob}", $"{an_arbitrary_key}");

Redis 保留聊天记录以启用 AI 记忆

像 GPT 这样的 OpenAI 模型不会记住聊天记录。Semantic Kernel 提供聊天记录，以回答基于先前上下文的问题。例如，您可以要求聊天应用程序讲一个笑话。然后问为什么这个笑话好笑。第二个问题的答案将与第一个问题相关，这就是聊天记录所启用的功能。

Chat History 对象存储在内存中。客户要求将其保存到外部存储，以获得以下好处：

资源效率——内存是应用服务器中的稀缺资源。
应用程序弹性——在服务器故障转移期间，我们希望避免内存中的数据丢失和出现故障。

Redis 是保存聊天记录的理想选择，因为：

数据过期支持 - 应用程序可以设置聊天记录的过期时间，以保持其记忆犹新。
数据结构——Redis 支持 Hash 等内置数据结构，可以轻松查询相关消息。
弹性 – 如果会话由于服务器故障转移而中断，聊天可以继续。

下面是一个对话示例。如果没有在 Redis 中保留聊天记录，我就无法根据之前的上下文提出问题。
在这里插入图片描述
借助 Redis 中的聊天记录，我可以在开始新会话时继续之前的对话。

从 Redis 获取用户消息并转到 ChatHistory 对象的代码可能如下所示：

RedisValue[] userMsgList = await _redisConnection.BasicRetryAsync(
    async(db) =>(await db.HashValuesAsync(_userName + ":" + userMessageSet)));

if (userMsgList.Any()) {
  foreach (var userMsg in userMsgList) {
    chat.AddUserMessage(userMsg.ToString());
  }
}

将用户消息保存到 Redis 的代码可能如下所示：

chat.AddUserMessage(question);

await _redisConnection.BasicRetryAsync(
    async(_db) => _db.HashSetAsync($"{_userName}:{userMessageSet}", [
      new HashEntry(new RedisValue(Utility.GetTimestamp()), question)
    ]));

Redis Hash 用于每个用户的用户消息和辅助消息。Redis Insight 提供 UI 来查看和管理保存的聊天记录数据。
在这里插入图片描述
我们可以进一步利用这种聊天记录体验，将其转换为向量嵌入，以提高回答类似问题的一致性和相关性。好处是：

对略有不同的问题给出一致的答案
通过减少对 OpenAI 的 API 调用来节省成本

把带有 Redis 的聊天应用程序作为参考，将以前的聊天记录保存在 Redis 语义内存存储中的代码可能如下所示：

//将用户和助理消息作为向量嵌入存储在 Redis 中。 仅保存前一个会话。
if (_historyContent.Length > 0)
{
    await memory.SaveInformationAsync(_userName+"_chathistory", _historyContent, "lastsession");
}

用于搜索以前的聊天记录的代码可能如下所示：

await foreach (var result in memory.SearchAsync(_userName+"_chathistory", question, limit: 1))
        stbuilder.Append(result.Metadata.Text);

我收到了关于类似问题的一致答复。即“法国首都在哪里？” 和“哪里是法国首都？”
在这里插入图片描述
我的实验代码有局限性：

它只保存最后一次聊天会话的历史记录
它不会根据逻辑分组将大型历史对象划分为块
代码很乱

这就是我们在语义内核中添加对此体验的官方支持的原因，请参阅 microsoft/semantic-kernel #5436。请分享您对此问题的反馈，以帮助我们设计出色的体验。

Redis 提高 Web 应用程序性能

.NET 提供了多种缓存抽象来提高 Web 应用程序性能。这些仍然适用于您的整体智能应用。此外，缓存抽象与语义缓存相辅相成，以提供高性能且一致的 Web 响应。

网页输出缓存

使用相同参数的重复 Web 请求会引入不必要的服务器利用率和依赖项调用。在 .NET 8 中，我们引入了 Redis 输出缓存来改进以下领域的 Web 应用程序：

一致性——输出缓存确保相同的请求得到一致的响应。
性能 – 输出缓存避免了对数据存储或 API 的重复依赖调用，从而加快了整体 Web 响应时间。
资源效率 – 输出缓存可降低渲染网页时的 CPU 利用率。

下面是前面提到的示例应用程序，它使用 Redis 输出缓存来提高调用 DALL-E 以根据提示生成图像的性能。使用 OpenAI 图像生成进行输出缓存。使用输出缓存所需最少的编码。

使用 .NET 8 Redis 输出缓存的代码片段可能如下所示：

app.MapGet("/cached/{prompt}", async (HttpContext context, string prompt, IConfiguration config) => 
    { await GenerateImage.GenerateImageAsync(context, prompt, config); 
    }).CacheOutput();

添加语义缓存以确保类似的提示收到一致的响应

Redis OM for dotnet 刚刚发布了语义缓存功能。它支持使用 Azure OpenAI 嵌入来生成向量。以下代码片段显示了示例用法。完整的代码示例可以在 OutputCacheOpenAI 存储库中的 GenerateImageSC.cs 中找到。

使用 Redis 作为语义缓存的代码片段可能如下所示：

_provider = new RedisConnectionProvider(_config["SemanticCacheAzureProvider"]);
var cache = _provider.AzureOpenAISemanticCache(
    _config["apiKey"], _config["AOAIResourceName"],
    _config["AOAIEmbeddingDeploymentName"], 1536);

if (cache.GetSimilar(_prompt).Length > 0) {
  imageURL = cache.GetSimilar(_prompt)[0];
  await context.Response.WriteAsync(
      "<!DOCTYPE html><html><body> " +
      $"<img src=\"{imageURL}\" alt=\"AI Generated Picture {_prompt}\" width=\"460\" height=\"345\">" +
      " </body> </html>");
}

这样，我就可以确保来自不同用户的类似提示会产生相同的图像，从而提高一致性并减少 API 调用，从而减少对 DALL-E 的调用并提高性能。下面的屏幕截图演示了类似提示重复使用的相同图片。

这是从提示“a french garden in monet style””返回的图像。
在这里插入图片描述
这是从提示“a monet style french garden”返回的图像。它与上面相同，因为先前的条目已被语义缓存：

这是 Redis 语义缓存中的条目：

Redis 语义缓存是 Redis 输出缓存的补充，因为：